(57)【要約】      （修正有）【課題】不活性ガスを使用することなく、従来通りの安全確保を実現することが可能な燃料処理装置、燃料電池発電装置及びその起動方法を提供すること。【解決手段】原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する燃料処理装置１と、燃料処理装置１にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池６からなる燃料電池発電装置において、燃料処理装置１の入口側に、燃料電池６の起動時に外部の空気を取り込み可能で、運転時はその空気の取り込みを阻止する空気遮断弁２０と、燃料処理装置１内であって、改質器２と一酸化炭素変成器４の間の燃料供給路に配設し、空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質３とを備えたもの。【選択図】図１
2006286472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料から化学反応により水素リッチ流体を製造する水素処理系に、酸化性物質を設けることで、不活性ガスを使用しなくても、前記水素処理系内の酸素濃度を低減できるようにしたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項２】
原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する燃料処理装置と、
前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池からなる燃料電池発電装置において、
前記燃料処理装置に空気を導入する装置と、
前記燃料処理装置内に配設し、前記空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質と、
を備えた燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記酸化性物質は水素還元雰囲気下で還元される性質を有する請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記燃料処理装置は、少なくとも水素リッチガスを得るための改質器と、前記改質器で得られる水素リッチガスに含まれる一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成器とを備えたものであり、
前記酸化性物質は、前記改質器及び前記一酸化炭素変成器の少なくとも一方に設けた請求項１記載の燃料処理装置又は請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記酸化性物質は前記燃料処理装置内の可燃ガス流通部の体積と標準状態にて同等以上の酸素分子保持能力を有する請求項２の燃料電池発電装置。
【請求項６】
原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する改質器本体及び前記原燃料の改質時該改質器本体内の温度を上昇させるためのものであって、燃料電池の燃料極からの排気ガスを導入する改質器バーナからなる改質器を含む燃料処理装置と、
前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池と、
前記燃料処理装置に空気を導入する装置と、
前記燃料処理装置内に配設し、前記空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質と、
前記燃料電池の燃料極に並列に形成し、前記水素リッチガスを前記燃料極に対してバイパス可能なバイパスラインと、
前記燃料処理装置からの水素リッチガスを、前記バイパスライン又は前記燃料電池の燃料極に供給する流路切替手段と、
前記改質器内の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の起動時に前記燃料処理装置からの水素リッチガスが前記バイパスラインを通して前記改質器バーナに供給されるように前記流路切替手段に対して指令を与え、前記温度検出手段で検出した検出温度が設定温度より低下し、かつその後前記検出温度が前記設定温度より上昇したとき前記流路切替手段に対して前記バイパスラインの流体の流れを阻止させると共に前記燃料電池の燃料極に前記燃料処理装置からの水素リッチガスを供給するように前記流路切替手段に対して指令を与える制御手段と、
を備えた燃料電池発電装置。
【請求項７】
原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する改質器本体及び前記原燃料の改質時該改質器本体内の温度を上昇させるためのものであって、燃料電池の燃料極からの排気ガスを導入する改質器バーナからなる改質器を含む燃料処理装置と、
前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池と、
前記燃料処理装置に空気を導入する装置と、
前記燃料処理装置内に配設し、前記空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質と、
前記燃料電池の燃料極に並列に形成し、前記水素リッチガスを前記燃料極に対してバイパス可能なバイパスラインとを備えた燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の起動時に、前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスを前記バイパスラインを通して前記改質器バーナに導き、前記改質器内の温度が設定温度より低下し、かつその後前記改質器内の温度が前記設定温度より上昇したとき前記バイパスラインの流体の流れを阻止させると共に前記燃料電池の燃料極に前記燃料処理装置からの水素リッチガスを供給するようにした燃料電池発電装置の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不活性ガスを使用しない燃料処理装置、燃料電池発電装置及びその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガスやＬＰＧなどの原燃料ガスから、水素リッチなガスを製造する燃料処理装置および水素リッチガスと空気から電気化学反応により電気を発生する燃料電池は、発電停止時に窒素ガス等の不活性ガスで可燃ガス流通部を置換し、可燃ガスの系統内滞留による安全確保阻害の可能性を排除している。すなわち、発電装置内部への滞留可燃ガスと、外部からの流入空気の合流に伴う、爆発・火災の可能性を排除する目的で発電装置内部は不活性ガス置換している。
【０００３】
一般に不活性ガスは、窒素ボンベを発電装置に併設することで確保しているが、設置場所の確保、消耗品としての残量確認、高圧ガス取り扱い上の安全確保等の問題が常に発生している。このような問題点を改善するため、特許文献１では、窒素ガスを用いずに燃料電池に残っている水素リッチガスをパージする発明として、特許文献１では、燃料電池を停止させる際、改質器への原料ガスの供給を停止し、燃料電池に残っている水素リッチガスと、水蒸気と、パージ用空気とをこの順に流すようにしたものが記載されているが、この場合流路を全て耐酸化性物質で構成しなければならないという制約を受ける。
【０００４】
また、特許文献２に見られるような膜分離装置を使用した「パージガス製造装置を有する燃料電池設備」も提案されている。これは、具体的には図６に示すように、燃料処理装置１５の入力側に空気ポンプ２３及び膜分離装置２２を設けて窒素ガスを得ると共に、窒素ガスを窒素ガス遮断弁１９を介して燃料処理装置１５の入力側に供給するものである。この場合には、大気中の空気を吸引し圧縮する空気ポンプ２３、空気ポンプ２３からの圧縮空気から窒素ガスを濃縮する膜分離装置，分離された窒素ガスを貯蔵する貯蔵タンク等が必要となり、システムが煩雑となることが問題となっている。
【０００５】
なお、図６の燃料処理装置１５は、原燃料を原燃料遮断弁１８を介して水素リッチガスを生成する改質器２と、改質器２から得られる水素リッチガスの一酸化炭素の濃度を低減する一酸化炭素変成器４並び一酸化炭素変成器４で低減された一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器５からなっている。このようにして、一酸化炭素が除去された水素リッチガスが燃料電池６に供給されるようになっている。
【０００６】
一方、特許文献３には、酸化材による不活性ガスの製造技術について記載されているが、これは、「空気を連続的に供給し、物質の酸化反応を利用することにより該空気中の酸素濃度を１５％以下にした不燃性ガスを連続的に製造することを特徴とする不燃性ガス製造方法。」であって、消火を目的としたものである。
【特許文献１】再公表特許ＷＯ０１／０９７３１２
【特許文献２】特開平１−１１７２７７号公報
【特許文献３】特開平６−４９７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前項に述べた従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、不活性ガスを使用することなく、従来通りの安全確保を実現することが可能な燃料処理装置、燃料電池発電装置及びその起動方法を提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、原燃料から化学反応により水素リッチ流体を製造する水素処理系に、酸化性物質を設けることで、不活性ガスを使用しなくても、前記水素処理系内の酸素濃度を低減できるようにした燃料処理装置である。
【０００９】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する燃料処理装置と、前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池からなる燃料電池発電装置において、前記燃料処理装置に空気を導入する装置と、前記燃料処理装置内に配設し、前記空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質とを備えた燃料電池発電装置である。
【００１０】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する改質器本体及び前記原燃料の改質時該改質器本体内の温度を上昇させるためのものであって、燃料電池の燃料極からの排気ガスを導入する改質器バーナからなる改質器を含む燃料処理装置と、前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池と、前記燃料処理装置に空気を導入する装置と、前記燃料処理装置内に配設し、前記空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質と、前記燃料電池の燃料極に並列に形成し、前記水素リッチガスを前記燃料極に対してバイパス可能なバイパスラインと、前記燃料処理装置からの水素リッチガスを、前記バイパスライン又は前記燃料電池の燃料極に供給する流路切替手段と、前記改質器内の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の起動時に前記燃料処理装置からの水素リッチガスが前記バイパスラインを通して前記改質器バーナに供給されるように前記流路切替手段に対して指令を与え、前記温度検出手段で検出した検出温度が設定温度より低下し、かつその後前記検出温度が前記設定温度より上昇したとき前記流路切替手段に対して前記バイパスラインの流体の流れを阻止させると共に前記燃料電池の燃料極に前記燃料処理装置からの水素リッチガスを供給するように前記流路切替手段に対して指令を与える制御手段とを備えた燃料電池発電装置である。
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する改質器本体及び前記原燃料の改質時該改質器本体内の温度を上昇させるためのものであって、燃料電池の燃料極からの排気ガスを導入する改質器バーナからなる改質器を含む燃料処理装置と、前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池と、前記燃料処理装置に空気を導入する装置と、前記燃料処理装置内に配設し、前記空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質と、前記燃料電池の燃料極に並列に形成し、前記水素リッチガスを前記燃料極に対してバイパス可能なバイパスラインとを備えた燃料電池発電装置において、前記燃料電池の起動時に、前記燃料処理装置にて製造された水素リッチガスを前記バイパスラインを通して前記改質器バーナに導き、前記改質器内の温度が設定温度より低下し、かつその後前記改質器内の温度が前記設定温度より上昇したとき前記バイパスラインの流体の流れを阻止させると共に前記燃料電池の燃料極に前記燃料処理装置からの水素リッチガスを供給するようにした燃料電池発電装置の起動方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来の窒素ガスボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となり、空気を燃料処理装置に導入することで、酸化性物質の働きにより空気中の酸素が除去され、不活性ガスを導入したのと同等の可燃ガス排出効果が得られ、かつその酸化性物質の酸化機能は次回の発電運転時に回復させることが可能となる燃料処理装置、燃料電池発電装置及びその起動方法を提供することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、燃料電池発電装置の燃料処理装置において従来必要としていた可燃ガス流通部の不活性ガス供給装置を廃止し、その代わりに燃料処理装置の燃料の流路、又は燃料処理装置と燃料電池の燃料極との燃料経路に酸化性物質を設け、この酸化性物質により空気中の酸素を除去して得られる窒素リッチガスにより、燃料電池内に残っている可燃性ガス、具体的には水素リッチガスの排出を行うものである。また、本発明の燃料電池発電装置の燃料処理装置内に酸化物は、燃料電池の運転中には水素還元することで再び酸化物を活性化させることができるという特徴も有している。
【００１４】
酸化物質３としては、水素雰囲気下で還元可能な物質で銅、亜鉛、アルミニウム、鉄、ニッケル、マンガン、レニウムあるいはこれらの化合物等が考えられる。
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１〜図３は、いずれも原燃料から化学反応により水素リッチ流体を製造する水素処理系に、酸化性物質を設けることで、不活性ガスを使用しなくても、水素処理系内の酸素濃度を低減できるようにした構成を説明するための図である。
【００１６】
具体的には、図1は、次のように構成したものである。すなわち、原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する燃料処理装置１と、燃料処理装置１にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池６からなる燃料電池発電装置において、燃料処理装置１に空気を導入する装置、すなわち、燃料処理装置１の入口側に、燃料電池６の起動時に外部の空気を取り込み可能で、運転時はその空気の取り込みを阻止する空気遮断弁２０と、燃料処理装置１内であって、改質器３と一酸化炭素変成器４の間の燃料供給路に配設し、空気中に存在する酸素と反応し窒素リッチガスを得る酸化性物質３とを備えたものである。
【００１７】
図２は、酸化性物質３を、改質器１２内に設けたものであり、図３は、酸化性物質３を、一酸化炭素変成器１４内に設けたものであり、これら点を除く構成は図１と同一であるので、その説明を省略する。
【００１８】
このような構成のものにおいて、燃料電池６の発電運転終了時に、原燃料遮断弁１８に対して閉指令を与えることで燃料処理装置１、１０、１１のいずれかへの原燃料の導入を停止し、空気遮断弁２０に対して開指令を与えることで燃料処理装置１、１０、１１内に空気が導入される。すると、燃料処理装置１内の酸化性物質３の働きにより空気中の酸素が除去され、この結果燃料処理装置１、１０、１１内に、例えば酸素濃度約２％の窒素リッチガスが得られ、この窒素リッチガスが、一酸化炭素変成器４又は１４、一酸化炭素除去器５を介して燃料電池６に導入される。
【００１９】
また、燃料電池６の発電停止時に酸化した酸化性物質３は、空気を停止し、再度原燃料が導入され、改質運転が開始されると、改質器２の改質反応により得られた水素リッチガスで還元され、酸化性物質３の酸化機能が回復する。
【００２０】
この結果、従来の窒素ガスボンベ等の不活性ガス供給装置が不要となり、空気を燃料処理装置に導入することで、酸化性物質の働きにより空気中の酸素が除去され、不活性ガスを導入したのと同等の可燃ガス排出効果が得られ、かつその酸化性物質の酸化機能は次回の発電運転時に回復させることが可能となる燃料処理装置、燃料電池発電装置を提供することができる。
【００２１】
図４は、本発明の燃料電池発電装置の具体的構成及びその具体的な起動方法を説明するための概略構成図である。燃料処理装置は、原燃料から化学反応により水素リッチガスを製造する改質器本体２Ａ及び原燃料の改質時該改質器本体２Ａ内の温度を上昇させるためのものであって、燃料電池６の燃料極(図示せず)からの排気ガスを導入する改質器バーナ２Ｂからなる改質器を含み、それ以外に前述の実施形態と同様に、酸化性物質３、一酸化炭素変成器４、一酸化炭素除去器５を備えている。改質器本体２Ａの入力側に、燃料処理装置に空気を導入する装置例えば空気遮断弁２０と、燃料遮断弁１８を備えている。燃料処理装置にて製造された水素リッチガスと空気を取込んで両者の電気化学反応により電気を発生する燃料電池６を備えたものに、さらに次のような構成を備えている。
【００２２】
燃料電池６の燃料極に並列に形成し、水素リッチガスを燃料極に対してバイパス可能なバイパスライン２１と、燃料処理装置からの水素リッチガスを、バイパスライン２１又は燃料電池の燃料極に供給する流路切替手段例えば燃料電池６の入口側に設ける燃料遮断弁８と、バイパスライン２１に設ける燃料バイパス弁９を備えている。
【００２３】
そして、改質器内の温度を検出するためのものであって、改質器バーナ２Ｂの近くに配設する温度検出手段例えば改質器温度計１７と、制御手段例えば次のように構成され、パソコンからなる制御装置１６を備えている。
【００２４】
制御装置１６は、燃料電池６の起動時に燃料処理装置からの水素リッチガスがバイパスライン２１を通して改質器バーナ２Ｂに供給されるように燃料バイパス弁９に対して開指令を与え、改質器温度計１７で検出した検出温度が、図５の設定温度より低下し、かつその後検出温度が設定温度より上昇したとき燃料バイパス弁９に対して閉指令を与えてバイパスライン２１の流体の流れを阻止させると共に、燃料電池６の燃料極に燃料処理装置からの水素リッチガスを供給するように燃料遮断弁８に対して開指令を与える。さらに、制御装置１６は、燃料処理装置の入口側に設けてある燃料遮断弁１８に対して燃料電池６の起動時に閉指令を与えると共に、空気遮断弁２０に対して開指令を与える。また、制御装置１６は、燃料処理装置の入口側に設けてある燃料遮断弁１８に対して燃料電池６の発電運転時に開指令を与えると共に、空気遮断弁２０に対して閉指令を与える。
【００２５】
このような構成の燃料電池発電装置において、プラント起動の改質開始時には燃料遮断弁８を閉じ、燃料バイパス弁９は開き、改質ガスを改質器バーナ２Ｂに改質ガスを導入する。当初この改質ガス中の一部の水素は燃料処理装置内の酸化性物質３の還元に使用されるため、発熱量は低く抑えられているが、還元が終了する頃になると還元に使用される水素は殆ど無くなることから、発熱量は増加し、改質器バーナ２Ｂでの燃焼量は増えるため改質器温度が上昇する。この改質器温度上昇を制御装置１６で確認した後に、燃料遮断弁８を開き、燃料バイパス弁９は閉じて発電を開始する。
【００２６】
以上述べた燃料電池発電装置は、制御装置１６により自動的に運転されるものであるが、これを制御装置１６を使用せずにオペレータ等が手動で運転することも可能であることは言うまでもない。この燃料電池発電装置の起動方法は、燃料電池が、発電開始前の燃料改質初期に、改質ガス中の一部の水素が酸化性物質の還元に使用されることから、その還元反応終了の見極め方法を規定したものであり、燃料処理装置出口ガス中の水素ガス濃度が十分に上昇したことを、改質器バーナ２Ｂのバーナ投入熱量の上昇による改質器の温度上昇により確認する方法である。
【００２７】
前述した酸化性物質３は、燃料処理装置内の可燃ガス流通部の体積と標準状態にて同等以上の酸素分子保持能力を有するものが望ましい。以下このことについて、説明する。酸化性物質３の酸化能力は、安全上、可燃ガス流通部体積の約５倍以上を不活性ガス置換するという観点から、可燃ガス流通部温度を最低８５℃、空気中の酸素濃度を２０．８％と考え、可燃ガス流路体積をＸ，温度補正後の可燃ガス流路体積をＸ’，必要除去酸素体積をＹとすると、
Ｙ／０．２０８＊（１−０．２０８）  ≧  ５Ｘ’
Ｘ’  ＝  ２７３／（２７３＋８５）＊Ｘ
したがって、Ｙ  ≧  １．００＊Ｘ
つまり、標準状態（０℃，１気圧）で可燃ガス流通部の体積と同量以上の酸素を除去する能力が必要となることを示している。
【００２８】
(変形例)
前述の一酸化炭素変成器４に使用する触媒としては、貴金属及び酸化性の助触媒、或いは銅―亜鉛の触媒を主成分とし、アルミニウム、鉄、ニッケル、マンガン、レニウムあるいはこれらの化合物等が考えられる。
【００２９】
前述の実施形態では、酸化性物質３を燃料処理装置内に配設した例について説明したが、燃料処理装置と燃料電池６の燃料極との間の燃料経路に配設しても、前述した実施形態と同様な作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施の形態を説明するための概略構成図。
【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施の形態を説明するための概略構成図。
【図３】本発明の燃料電池発電装置の第３の実施の形態を説明するための概略構成図。
【図４】本発明の燃料電池発電装置の第３の実施の形態を説明するための概略構成図。
【図５】図４の制御装置の機能を説明するための図。
【図６】従来の燃料電池発電装置の一例を説明するための概略構成図。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料処理装置、２Ａ…改質器本体、２Ｂ…改質器バーナ、３…酸化性物質、４…一酸化炭素変成器、５…一酸化炭素除去器、６…燃料電池、８…燃料遮断弁、９…燃料バイパス弁、１０…燃料処理装置、１２…改質器、１４…一酸化炭素変成器、１５…燃料処理装置、１６…制御装置、１８…原燃料遮断弁、１９…窒素ガス遮断弁、２０…空気遮断弁、２１…バイパスライン、２２…膜分離装置、２３…空気ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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